根據公開資料，鋰資源的全球儲量有限，鋰元素在地殼中的含量僅為 0.0065%。隨著新能源汽車的發 展對電池的需求大幅上升，資源端的瓶頸逐漸顯現，成本較高限制了鋰離子電池的大規模應用。鈉資源儲量非常豐富，地殼丰度為 2.64%，是鋰資源的 440 倍，且鈉資源分布廣泛、提煉簡單。鈉作為鋰的替代品的角色出現，在電池領域得到越來越廣泛的關注。
德國德國聯邦經濟事務和氣候行動部資助的3DPrintBatt——「固態鈉離子電池可持續、靈活增材製造技術」項目將持續到2025年2月。該項目總預算為2500萬歐元（資金代碼16BZF351C），德國弗勞恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所參與了該項目，其中大約50萬歐元將投資於一條用於生產固態鈉離子電池的新創新3D列印生產線，並將在該研究所設立。
3D列印鈉離子電池
Fraunhofer IFAM
根據3D科學谷，3D列印電池技術發展至今，不僅在「大局」上有不同之處，在最小的微米和納米級別上也有所不同。在納米級別，3D列印技術對電池電極的結構產生了很大影響，這就是能量密度增加的原因。長期以來，「多孔」電極可以提高能量密度，而增材製造非常適合該工藝，這意味著電極中的材料可以構建成三維點陣晶格結構。
新能源汽車產業鏈
3D科學谷白皮書
晶格結構可以為材料內部的電解質有效傳輸提供通道，就鋰離子電池而言，具有多孔結構的電極可以帶來更高的充電容量，這種結構允許鋰穿透電極體積，導致非常高的電極利用率，從而具有更高的能量存儲容量。在普通電池中，總電極體積的30%～50%未被利用，通過使用 3D 列印克服了這個問題。此外，通過創建微晶格電極結構，允許離子通過整個電極有效傳輸，這也提高了電池充電率。點陣晶格意味著電極有更多的暴露表面積，從而帶來更高效的電池。
在「3DPrintBatt」項目中，弗勞恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所以及來自工業和研究領域的合作夥伴正在將用於電動汽車和其他應用的鈉離子電池3D列印轉移到試生產，專家們將電池專業知識與增材製造技術相結合，特別專注於漿料的開發和生產。
/ 替代鋰離子電池
根據弗勞恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所，未來的電池是安全的、可持續的、靈活的和強大的。這就是為什麼德國正在研究新型固態電池，因為這類電池可以實現更高的能量密度和更高的安全性，在這種情況下，採用基於鈉的固態電解質的電池代表了現有鋰離子技術的一種有前途的替代品，因為原材料鈉比鋰更環保、更容易獲得並且更便宜。
3D列印鈉離子電池
Fraunhofer IFAM
該項目的研究重點是固體離子導體的進一步開發以及電池單元的構建和表征。除了生產薄層以降低電池內阻之外，還必須研究出這種新電池技術的操作條件。
原型鈉電池的生產將採用可使用多種活性材料的方式設計，因此，可以快速且經濟高效地對電池的設計進行特定於產品的調整。弗勞恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所發現3D列印過程在這方面起著決定性的作用，除了實現靈活的幾何適應之外，還可以優化體積。
該項目主要融合了漿料開發、列印工藝和加工領域的經驗。漿料的開發和生產是後續電池的起點，這也是該項目特別關注的原因。通過印刷進行的後續加工受到特定漿料特性的顯著影響，並且隨後的電池性能也強烈依賴於印刷電極的成分和內部結構。
依靠該項目創新生產線的成果，Blackstone Technology GmbH 將在其位於薩克森州 Döbeln 的工廠建立一條中試生產線。3D列印鈉離子電池將在合作夥伴 Eurabus 的電動巴士上進行評估。對該項目開發的進一步支持來自蔡司、粒子技術研究所、布倫瑞克工業大學以及弗勞恩霍夫IST 研究所 和弗勞恩霍夫IKTS研究所 。根據3D科學谷《能量翻倍，價格減半，洞悉黑石3D列印電池背後的技術邏輯》一文，黑石技術的3D列印工藝具有明顯的優勢。這些措施包括顯著降低成本，提高電池尺寸的生產靈活性以及使能量密度提高20％。
此外，通過使用3D列印技術，可以將不存儲能量的材料（即銅和鋁）的數量減少多達10％。可以獨立於電極化學性質實現這些優點。根據黑石技術，結合迄今為止在3D列印電池技術方面的發展，這一發展為固態電池的大規模生產鋪平了道路。除了汽車工業等主要市場之外，船舶應用和新型5G無線網絡還將受益於3D列印固態電池可以提供的優勢。
/ 從實驗室走到工廠
那麼是否僅僅德國和日本在重視鈉離子固態電池的開發？答案是全世界都在重視這件事情。
根據科學中國，未來的十年,電池工業將經歷一場革命性變革,目前的技術格局將會發生改變。在這場變革中,固態電池被視為備受矚目的技術方向。在2022年7月21日舉辦的世界動力電池大會上,中國科學院院士歐陽明高指出,從技術角度來看,固態電池是最值得重視的技術之一,預計在2035年之前,將能夠規模生產能量密度為500Wh/kg的下一代電池。然而,由於各種原因,製造固態電池一直存在一定的難度,迄今為止尚未真正投入生產。但是,隨著3D列印技術的發展,它有望改變這種狀況,幫助生產下一代電池。
經過多年的發展,無論是設備還是材料,已有多家公司從實驗室走向生產車間,將3D列印電池推向市場。在國外,像美國Sakuu Corporation、德國Blackstone Technology、美國6K、英國photocentric等公司已經開始進軍這個領域。而在國內,也有像高能數造(西安)技術有限公司這樣的企業在積極探索3D列印電池技術的應用。
根據3D科學谷的市場觀察，國內方面，此前，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥與副研究員鄭雙好團隊，開發了可形成三維導電網絡的電極油墨與高離子電導率的電解質油墨，顯著提高了3D列印高載量微電極中的電子和離子傳輸效率，研製出了高容量、高倍率柔性化鈉離子微型電池。研究團隊通過3D列印構建出高面積比容量、高倍率平面鈉離子微型電池。他們通過製備具有適當粘度和流變特性的3D列印電極油墨，3D列印厚電極（厚度可達1200μm）具有三維多孔導電框架結構，促進了離子傳輸動力學速率，降低了厚電極中的電子傳輸距離，有效提高了鈉離子微型電池的電化學性能。該工作展現了3D列印高性能平面微型電池在可穿戴和可攜式微電子領域的應用潛力。